Лекции по "Циклу автоматизации"
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Мая 2013 в 09:53, курс лекций
Краткое описание
Современные системы автоматизации (modern automation systems) охваты-
вают широкую область народного хозяйства – от электропривода (electrical
drive) хирургических микромашин до мощных турбогенераторов (turbo-
generators) электрических станций (power stations).
В настоящее время преимущественное направление получили системы ав-
томатизации на базе цифровой полупроводниковой техники (digital semiconduc-
tors techniques). Построение таких систем имеет единый подход в алгоритме по-
строения – микропроцессорное устройство (microprocessor device)– преобразо-
ватель частоты (frequency converter)– электродвигатель (electrical motor). Каж-
дый из трех вышеперечисленных компонентов системы может варьироваться в
широком диапазоне, иметь различный тип, расширяться или уменьшаться до
необходимого минимума функциональных возможностей, однако логика по-
строения остается сходной.
Содержание
1 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.................................................4
1.1 Контрольные вопросы....................................................................................8
2 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ .9
2.1 Основы теории создания вращающегося электромагнитного поля ............9
2.2 Конструкция асинхронного электродвигателя...........................................10
2.2.1 Статор.....................................................................................................11
2.2.2 Ротор.......................................................................................................13
2.3 Принцип работы асинхронного электродвигателя.....................................15
2.4 Контрольные вопросы.................................................................................. 17
3 АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ ............18
3.1 Конструкция .................................................................................................18
3.2 Принцип работы........................................................................................... 20
3.3 Сравнительная характеристика АД с ФР и АД с КР..................................23
3.4 Контрольные вопросы.................................................................................. 25
4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА............................... 26
4.1 Общие сведения............................................................................................ 26
4.2 Устройство принцип действия машины постоянного тока ....................... 27
4.3 Устройство и расположение главных и добавочных полюсов.................. 30
4.4 Устройство якоря и коллектора...................................................................31
4.5 Устройство щеточного аппарата .................................................................33
4.6 Контрольные вопросы.................................................................................. 34
5 СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ..........................................................................35
5.1 Общие сведения............................................................................................ 35
5.1.1 Область применения синхронных машин............................................35
5.1.3 Разновидности синхронных машин...................................................... 35
5.2 Устройство синхронных машин..................................................................36
5.3 Принцип работы синхронного двигателя ................................................... 38
Page 3
3
5.4 Синхронный генератор ................................................................................ 39
5.5 Пуск синхронного двигателя.......................................................................39
5.5.1 Пуск от вспомогательного двигателя................................................... 39
5.5.2 Асинхронный пуск синхронного двигателя.........................................39
5.5.3 Устройство плавного пуска. .................................................................40
5.6 Преимущества синхронного двигателя....................................................... 42
5.7 Контрольные вопросы.................................................................................. 42
6 СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР.............................................................................43
6.1 Общие сведения............................................................................................ 43
6.2 Технические характеристики и конструкция.............................................. 44
6.2.1 Описание конструкции..........................................................................44
6.2.2 Высоковольтная обмотка......................................................................46
6.2.3 Низковольтная обмотка.........................................................................48
6.2.4 Магнитопровод...................................................................................... 48
6.2.4 Конструктивные исполнения трансформатора....................................49
6.3 Принцип работы трансформатора............................................................... 50
6.4 Преимущества и применение сухих трансформаторов.............................. 50
6.5 Контрольные вопросы.................................................................................. 52
7 МАСЛЯНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ...................................................................53
7.1 Конструктивные части трансформатора..................................................... 53
7.1.1 Выемная часть ....................................................................................... 54
7.1.2 Бак трансформатора. .............................................................................55
7.1.3 Расширитель .......................................................................................... 56
7.1.4 Магнитопровод...................................................................................... 57
7.1.5 Обмотки .................................................................................................57
7.2 Контрольные вопросы.................................................................................. 59
Вложенные файлы: 1 файл
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ»
ЦИКЛ АВТОМАТИЗАЦИИ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Разработал:
канд. техн. наук, доцент,
доцент каф. «ЭМА»
Плюгин В.Е.
Алчевск 2009
2
СОДЕРЖАНИЕ
1 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.................................................4
1.1 Контрольные вопросы....................................................................................8
2 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ .9
2.1 Основы теории создания вращающегося электромагнитного поля ............9
2.2 Конструкция асинхронного электродвигателя...........................................10
2.2.1 Статор.....................................................................................................11
2.2.2 Ротор.......................................................................................................13
2.3 Принцип работы асинхронного электродвигателя.....................................15
2.4 Контрольные вопросы.................................................................................. 17
3 АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ ............18
3.1 Конструкция .................................................................................................18
3.2 Принцип работы........................................................................................... 20
3.3 Сравнительная характеристика АД с ФР и АД с КР..................................23
3.4 Контрольные вопросы.................................................................................. 25
4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА............................... 26
4.1 Общие сведения............................................................................................ 26
4.2 Устройство принцип действия машины постоянного тока ....................... 27
4.3 Устройство и расположение главных и добавочных полюсов.................. 30
4.4 Устройство якоря и коллектора...................................................................31
4.5 Устройство щеточного аппарата .................................................................33
4.6 Контрольные вопросы.................................................................................. 34
5 СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ..........................................................................35
5.1 Общие сведения............................................................................................ 35
5.1.1 Область применения синхронных машин............................................35
5.1.3 Разновидности синхронных машин...................................................... 35
5.2 Устройство синхронных машин..................................................................36
5.3 Принцип работы синхронного двигателя ................................................... 38
3
5.4 Синхронный генератор ................................................................................ 39
5.5 Пуск синхронного двигателя.......................................................................39
5.5.1 Пуск от вспомогательного двигателя................................................... 39
5.5.2 Асинхронный пуск синхронного двигателя.........................................39
5.5.3 Устройство плавного пуска. .................................................................40
5.6 Преимущества синхронного двигателя....................................................... 42
5.7 Контрольные вопросы.................................................................................. 42
6 СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР.............................................................................43
6.1 Общие сведения............................................................................................ 43
6.2 Технические характеристики и конструкция.............................................. 44
6.2.1 Описание конструкции..........................................................................44
6.2.2 Высоковольтная обмотка......................................................................46
6.2.3 Низковольтная обмотка.........................................................................48
6.2.4 Магнитопровод...................................................................................... 48
6.2.4 Конструктивные исполнения трансформатора....................................49
6.3 Принцип работы трансформатора............................................................... 50
6.4 Преимущества и применение сухих трансформаторов.............................. 50
6.5 Контрольные вопросы.................................................................................. 52
7 МАСЛЯНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ...................................................................53
7.1 Конструктивные части трансформатора..................................................... 53
7.1.1 Выемная часть ....................................................................................... 54
7.1.2 Бак трансформатора. .............................................................................55
7.1.3 Расширитель .......................................................................................... 56
7.1.4 Магнитопровод...................................................................................... 57
7.1.5 Обмотки .................................................................................................57
7.2 Контрольные вопросы.................................................................................. 59
4
1 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
Современные системы автоматизации (modern automation systems) охваты-
вают широкую область народного хозяйства – от электропривода (electrical
drive) хирургических микромашин до мощных турбогенераторов (turbo-
generators) электрических станций (power stations).
В настоящее время преимущественное направление получили системы ав-
томатизации на базе цифровой полупроводниковой техники (digital semiconduc-
tors techniques). Построение таких систем имеет единый подход в алгоритме по-
строения – микропроцессорное устройство (microprocessor device)– преобразо-
ватель частоты (frequency converter)– электродвигатель (electrical motor). Каж-
дый из трех вышеперечисленных компонентов системы может варьироваться в
широком диапазоне, иметь различный тип, расширяться или уменьшаться до
необходимого минимума функциональных возможностей, однако логика по-
строения остается сходной. Структурная схема (block diagram) системы автома-
тизации показана на рис. 1.1, 1.2.
Рисунок 1.1 - Структурная схема системы автоматизации.
5
Figure 1.2 – The structural schema of automation system.
Целью любой системы автоматизации в конечном итоге является приведе-
ние во вращения электродвигателя, соединенного посредством вала (shaft) с ис-
полнительным механизмом (actuating mechanism). Электродвигатели изготавли-
ваются разнообразных типов, классов, на разные виды напряжения (voltage).
Каждый электродвигатель находит свою область применения, для которой его
эксплуатация будят наиболее эффективной.
Изначально были открыты и введены в эксплуатацию двигатели постоян-
ного тока (direct current [DC] motors). С появлением источников переменного
тока (alternative current [AC]) были разработаны новые типы электрических ма-
шин – асинхронные (asynchronous machines) и синхронные (synchronous ma-
chines).
С точки зрения геносистематики (gene-systematic) асинхронные электро-
двигатели с короткозамкнутым ротором (asynchronous motors with squirrel cage
6
rotor) являются генетически чистым и совершенным видом электрических ма-
шин. Что такое геносистематика? Это новейшая теория, разработанная профес-
сором Национального Киевского политехнического университета Шинкаренко
В.Ф. Таблицы геносистематики, наследования, призванные упорядочить ин-
формацию о большом многообразии электрических машин, сходна с периоди-
ческой таблицей Менделеева. Более того, по генетическим зависимостям мож-
но развить новые ступени эволюции и предсказывать, давать описание и харак-
теристики еще не созданным электрическим машинам.
Многообразие и функциональное назначение электрических машин на-
столько велико, что начинающему несложно запутаться. Для организации пред-
ставления и систематизации знаний об электрических машинах составлена диа-
грамма, представленная на рис. 1.3.
Следует отметить, что электрические машины могут быть не только вра-
щающиеся, но и с поступательным движением вторичного элемента (линейные
двигатели – line motors), неподвижные с фиксированным поворотом ротора
(электромашинные усилители - dynamoelectric amplifiers), не вращающиеся
(трансформаторы - transformers). Кроме того, электрические машины могут не
только вращать вал привода (двигатели - motors), но и вырабатывать электро-
энергию (electrical energy) за счет приведения во вращение сторонними силами
(генераторы - generators).
Приведенная на рис. 1.3 классификация не является полной и охватывает
только наиболее распространенные типы электрических машин. В курсе, по-
священном изучению цикла автоматизации, будет уделено внимание только
трем основным типам: асинхронным с короткозамкнутым и фазным ротором
(phase rotor), явнополюсным (salient-pole) и неявнополюсным (nonsalient-pole)
синхронным, машинам постоянного тока с постоянными магнитами (permanent
magnets) и различными способами возбуждения (exciting systems).
7
Рисунок 1.3 – Классификация электрических машин.
Машины
постоянного тока
Машины
переменного тока
Двигатели
Генераторы
С постоянны-
ми
Параллельно-
го
Последова-
тельного
Смешанного
возбуждения
Шраге-
Рихтера
(переменный
Асинхронные
Синхронные
Трансформа-
торы
Двигатели
Генераторы
С фазным
ротором
Линейные
С короткозамк-
нутым
Двойного
питания
С массив-
ным ротором
Со сфери-
ческим ротором
Явнопо-
люсные
Неявнопо-
люсные
Вентильные
8
1.1 Контрольные вопросы
1. Дать характеристику современным системам автоматизации. Привести и по-
яснить структурную схему системы.
Классификация электрических машин. Привести примеры практического ис-
пользования основных видов электрических машин.
Назначение электрических машин и их место в системах автоматизации.
2. Принципиальное отличие между электрическими двигателями и генератора-
ми.
3. Какая электрическая машина занимает ведущее место в видовом разнообра-
зии генетической классификации электромеханических преобразователей? Ответ
пояснить.
4. Основные структурные элементы в современных системах автоматизации.
Пояснить назначение каждого элемента системы.
5. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
9
2 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
2.1 Основы теории создания вращающегося электромагнитного поля
Вращающееся электромагнитное поле (rotating electromagnetic field) лежит в
принципе работы электрических машин (electrical machines). Электромагнитное по-
ле, вращаясь в воздушном зазоре (air gap, stator-to-rotor gap), взаимодействует с ро-
тором машины, увлекает его за собой и заставляет вращаться.
Для создания бегущего поля (traveling field) необходимо соблюдение двух ус-
ловий:
1. сдвиг токов (трех фаз) во времени на 120 градусов (time-phase displacement);
2. сдвиг токов в пространстве на 120 электрических градусов.
Сдвиг токов во времени обеспечивается питающей сетью трехфазного напря-
жения (three-phase network): фазы А, В и С сдвинуты друг относительно друга на
120
о
(рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Трехфазная система сетевого напряжения.
10
Сдвиг токов в пространстве (space shift) выполняется укладкой проводников
(conductors), принадлежащих разным фазам, в пазы машины (machine slots) со сдви-
гом в 120 электрических градусов. Например, фаза А – в 1 пазу; фаза В – в 1 +120 =
121 пазу; фаза С – в 121 + 120 = 241 пазу.
При выполнении описанных двух условий поле будет бегущем вдоль плоско-
сти. Для того, чтобы поле стало вращающимся, необходимо плоскость выгнуть так,
чтобы она приняла форму окружности. При этом бегущее поле также будет также
описывать окружность, т.е. станет вращающимся. Поэтому, все электрические ма-
шины имеют цилиндрическую форму.
2.2 Конструкция асинхронного электродвигателя
Конструкция асинхронного электродвигателя показана на рис. 2.2.
Рисунок 2.2 – Конструкция асинхронного электродвигателя.
Электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижной и подвиж-
ной. Неподвижная часть называется статор (stator), а подвижная – ротор (rotor). Ста-
тор и ротор – сборочные единицы машины и каждая из них является сложной кон-
струкцией.
Рассмотрим подробно устройство асинхронного электродвигателя.
2
1
11
2.2.1 Статор. Статор асинхронного электродвигателя состоит из (рис. 2.3):
1. станины (frame);
2. пакета (core stack);
3. обмотки (winding);
4. подшипникового узла (bearings) (рис. 2.2, 1);
5. клеммной коробки (terminal box) (рис. 2.2, 2).
Рисунок 2.3 – Статор асинхронного двигателя.
Станина – это корпус электродвигателя (motor frame), в которой размещаются
все узлы машины, включая подвижную часть – ротор. Станина изготавливается из
стали, чугуна или алюминия. Для крепления электродвигателя по месту работы на
станине имеются четыре лапы (lugs) с отверстиями для болтов (bolts). На станине
также есть рым-болт (eyebolt), необходимый для погрузочно-разгрузочных работ. За
рым-болт крюком крана можно поднимать электродвигатель. Станина, как оболочка
машины, защищает внутренние части машины от попадания внутрь пыли (dust) и
влаги (moisture). Качество защиты характеризует показатель, называемый степень
защиты и обозначается IP – International Protection.
1
2
3
12
В обозначении степени защиты присутствуют две цифры. Первая характеризует
защиту от пыли, вторая – от влаги. Каждая цифра соответствует размеру частиц,
способных проникнуть внутрь оболочки электродвигателя. Чем выше цифра, тем
лучше защита. Асинхронные двигатели обычно имеют следующие обозначения:
IP44, IP54, IP65. Кроме всего вышеперечисленного, станина также служит для охла-
ждения машины (motor cooling). При эксплуатации электродвигателя внутри обо-
лочки накапливается тепло. Так как станина внутренней стороной соприкасается с
нагретыми частями машины, а внешней – с окружающей средой, то появляется воз-
можность посредством станины отводить избытки тепла из внутренней части элек-
тродвигателя. Для интенсификации теплообмена с окружающей станину выполняют
оребренной (air cooling edge). Кроме того, с помощью вентилятора внешнего обдува
(cooling fan) процесс охлаждения можно усилить.
Пакет статора (core stack) имеет цилиндрическую форму и набирается из от-
дельных, изолированных друг от друга оксидной пленкой, листов электротехниче-
ской стали (core disk from electric grade sheet) с высоким содержанием кремния. Если
пакет выполнить не из отдельных листов, а цельнолитым, то он будет сильно разо-
греваться от вихревых токов, порождаемых сильным электромагнитным полем
(electromagnetic field), создаваемым обмоткой статора (stator windings). Наличие
кремния в составе электротехнической стали также позволяет снизить величину
вихревых токов (eddy currents). Внутренняя поверхность пакета имеет пазы (slots), в
которых размещают обмотку. К станине пакет обычно крепится с помощью метал-
лических клиньев (wedges).
Обмотка статора состоит из изолированных медных проводников (copper con-
ductors), намотанных в концентрические катушки (coils). Затем эти катушки уклады-
ваются в пазы пакета статора с заданным шагом (winding pitch). Катушки всех трех
фаз укладываются со сдвигом в 120 электрических градусов. Для того, чтобы про-
водники не выпадали, в верхнюю часть каждого паза вставляют клинья (armature
keys). Клинья могут быть как изоляционные (береза, текстолит, стеклотекстолит),
так и магнитные. Та часть проводников катушек, которая находится в пазах, называ-
13
ется «пазовая часть». Часть проводников катушки, выступающая из пазов, образуют
«лобовую часть» (frontal surface) обмотки. Для того, чтобы лобовая часть сохраняла
жесткую форму, ее обматывают органическими или неорганическим нитями из
стекловолокна, иногда – металлическими полосами, называемыми бандажом (bind-
ing). Бандаж необходим для того, чтобы сильное электромагнитное поле, создавае-
мое обмоткой, не разорвало проводники, выступающие из пазов.
Подшипниковая часть (bearing assembly) необходима для сочленения непод-
вижной и подвижной частей машины и состоит из двух торцевых щитов (крышек) и,
собственно, подшипников. Подшипники (bearings) закрепляются в центре подшип-
никовых щитов (end shells). Подшипниковые щиты с помощью болтов надежно при-
кручиваются болтами к станине, формируя в целом герметичную конструкцию ма-
шины. Подшипниковые щиты изготавливаются из такого же материала, что и ста-
нина. Подшипники бывают трех типов: шариковые (frictionless bearing), роликовые
(rolling bearing) и скольжения (plain bearing). Конкретный вид каждого подшипника
зависит от нагрузок, частоты вращения и мощности электродвигателя.
Клеммная коробка (terminal box) располагается на станине и имеет шесть выво-
дов (terminals). К выводам коробки из внутренней части машины подводятся три на-
чала и три конца фаз катушек обмотки статора. Обычно концы фаз соединяются
друг с другом с помощью перемычки, а начала фаз подключаются к кабелю питания.
Такое соединение носит название «звезда» (star, Y-connection). Кроме соединения в
звезду есть еще соединение в «треугольник» (delta, D-connection).
2.2.2 Ротор. Ротор асинхронного электродвигателя состоит из (рис. 2.4):
1. пакета;
2. обмотки;
3. вала (shaft);
4. вентилятора (fan).
14
Рисунок 2.4 – Ротор асинхронного двигателя.
Пакет ротора изготавливается так же, как и пакет статора и имеет тоже цилинд-
рическую форму. Пакет ротора отличается от пакета статора тем, что пазы ротора
находятся не на внутренней части, а на внешней части цилиндра.
Обмотка ротора размещается в пазах пакета ротора и бывает двух типов:
- фазная обмотка (phase winding);
- короткозамкнутая обмотка (cage winding).
Фазная обмотка будет рассмотрена в следующей лекции.
Короткозамкнутая обмотка изготавливается путем заливки расплавленного
алюминия, реже – меди, в пазы пакета ротора. При застывании алюминий образует
обмотку, состоящую из стержней (алюминий в пазах) и двух торцевых колец (на-
плывы алюминия, вытекшего при заливке из пазов), которые получаются при техно-
логической операции литья. Эти кольца получили название короткозамыкающих
(end rings). Естественно, такая обмотка не имеет ни начала, ни концов, поэтому к
ней невозможно подключиться. До недавнего времени из-за этого считалась, что
скорость асинхронных электродвигателей регулировать невозможно. Однако, при
развитии силовой преобразовательной техники скорость асинхронных электродви-
гателей так же поддается регулированию путем изменения частоты токов, подавае-
мых через преобразователь частоты (frequency converter) на обмотку статора.
3
1
2
4
15
Вал (rotor shaft) имеет цилиндрическую форму и состоит из нескольких ступе-
ней (shaft stages) разных диаметров. Самый большой диаметр – в пазовой части ро-
тора, а самый малый – на выходном конце вала (shaft end), на который подсоединя-
ется нагрузочный механизм. Вал крепиться в пакете с помощью шпонки (rotor key).
Также на вал насаживаются подшипники, соединяющие вращающуюся часть маши-
ны с неподвижными подшипниковым щитами. Вал несет все нагрузки (и перегруз-
ки) привода (drive load), поэтому перед его изготовлением выполняются расчеты на
механическую прочность (прочность на изгиб и кручение) и жесткость.
Вентилятор (fan) располагается на неприводной части машины (non-drive end)
возле места крепления подшипников внутри станины. Крепление вентилятора на ва-
лу жесткое, поэтому он вращается вместе с ротором, одновременно создавая поток
охлаждающего воздуха. Охлаждение эффективно, если ротор вращается достаточно
быстро (скорость вращения более чем 500 об/мин [500 rot/min – rotation per minute]).
Если ротор вращается на малых скоростях (0 – 500 об/мин), то на станине крепиться
вентилятор принудительного охлаждения (forced-cooling fan), вращающийся всегда
с постоянной высокой скоростью (constant speed) и имеет независимое питание (in-
dependent supply). По сути, вентилятор принудительного охлаждения – это устрой-
ство, состоящее из небольшого асинхронного электродвигателя, на валу которого
крепиться вентилятор.
2.3 Принцип работы асинхронного электродвигателя
Асинхронный электродвигатель работает следующим образом.
Кабель (cable), подключенный к выводам клеммной коробки, соединяется с пи-
тающей сетью (supply network). По кабелю на концы фаз статорной обмотки подает-
ся переменное трехфазное напряжение (three-phase voltage).
По обмотке начинает протекать ток. Ток проходит через все витки обмотки
(coils loops), все фазы и катушки (coils). При этом образуется магнитодвижущая сила
(МДС), представляющая собой полный ток электродвигателя. МДС (magnetomotive
force) порождает магнитный поток (magnetic flux).
16
Магнитный поток своими силовыми линиями (flux lines), через небольшой воз-
душный промежуток (воздушный зазор [air gap]), разделяющий поверхности статора
и ротора, пересекает обмотку ротора. В обмотке ротора наводится потоком электро-
движущая сила (ЭДС). ЭДС (emf – electro motion force) по своей сути близка к на-
пряжению (voltage), только это напряжение получается не из сети питания, а из маг-
нитного потока.
За счет возникновения ЭДС, в обмотке ротора начинает протекать ток. Так как
магнитный поток, породивший ЭДС, был трехфазным, то и ЭДС, и токи ротора тоже
будут трехфазными.
Токи, протекающие в обмотке ротора, взаимодействуют с силовыми линиями
магнитного потока. Результатом такого взаимодействия является появление силы
(force), воздействующей на проводники обмотки ротора. Эта сила направлена пер-
пендикулярно проводникам ротора и «тянет» их в направлении вращения бегущего
поля. Таким образом, магнитное поле «тянет» проводники ротора, проводники давят
на стенки пазов, в которых они расположены. Пазы являются частью пакета ротора.
Ротор не имеет жестокого крепления, а наоборот, через вал размещен в подшипни-
ках, поэтому передаваемое на пакет давление приводит к тому, что ротор начинает
вращаться вокруг оси. Т.е. создается вращающий момент (rotating torque). Теперь
становиться понятным, зачем такое большое внимание в конструкции обмоток элек-
тродвигателя уделяется их креплению – ведь, по сути, ротор вращается «за провод-
ники». Если двигатель, например, приводит во вращение 500 тонн груза, то в какой-
то степени эта нагрузка целиком ложится на проводники в пазах машины. Также не
стоит забывать правило электродинамики: «с какой силой поле статора воздейству-
ет на ротор, с такой же силой ротор воздействует на статор».
Величина момента или то же самое, что и мощность электродвигателя (motor
power), зависят от величины магнитного потока и токов в роторе. Чем больше вели-
чина потока и токов, тем сильнее их взаимодействие и тем большие нагрузки спосо-
бен передавать вал электродвигателя. Для пропускания больших токов и создания
больших магнитных потоков необходима обмотка большего сечения (cross section of
17
wire) и размера. Для размещения большой обмотки нужно больше стали пакетов
статора и ротора. Вал для передачи больших нагрузок так же должен быть массив-
нее и прочнее. Поэтому, чем выше мощность электродвигателя, тем больше его га-
баритные размеры (overall dimensions) и масса (weight).
2.4 Контрольные вопросы
1. Назвать и охарактеризовать условия создания вращающегося электрического
поля. Чем вращающееся поле отличается от бегущего?
2. Конструкция асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
3. Из каких материалов изготавливаются конструктивные элементы асинхрон-
ного электродвигателя с короткозамкнутым ротором?
4. Принцип работы асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым рото-
ром.
5. Чем определяются размеры и масса электродвигателя?
6. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
18
3 АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
(THE ASYNCHRONOUS MOTOR WITH A PHASE ROTOR)
3.1 Конструкция
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором (АД с ФР) отличается от
асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АД с КЗР), рассмот-
ренным ранее, конструкцией ротора и способом подключения к сети. Кроме того,
имеются существенные отличия в пусковых и механических характеристиках
(starting and speed-torque characteristics).
Статор АД с ФР ничем не отличается от статора АД с КЗР, поэтому в настоя-
щей лекции он рассматриваться не будет. Остановимся на конструкции фазного ро-
тора.
1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.
Рисунок 3.1 - Продольный разрез асинхронного двигателя с фазным ротором
(Longitudinal section of the asynchronous motor with a phase rotor).
19
Пакет ротора набирается из отдельных листов электротехнической стали с вы-
штампованными в них пазами. В пазы укладывается изоляция из электротехниче-
ского картона (electrical board) или лакоткани (empire cloth), а затем медные провода
обмотки. Фазная обмотка (phase winding) изготавливается и укладывается в пазы па-
кета ротора так же, как и обмотка статора.
Концы фаз обмотки соединяются вместе, образуя схемное соединение «звезда»,
а начала фаз подводятся через внутреннюю полость вала к трем контактным медным
кольцам (slip-rings), крепящемся на неприводном конце вала (со стороны вентилято-
ра). На кольца устанавливаются металло-графитовые прямоугольные щетки (metal-
graphite brushes). Щетки одним торцом касаются поверхности контактных колец, а
вторым крепятся в траверсе (brush rocker).
С помощью проводников выводы траверсы (brush rocker terminals) соединяются
с выводами второй клеммной коробки (клеммная коробка ротора), устанавливаемой
на боковой части станины. К клеммной коробке ротора подключается внешний пус-
ко-регулировочный реостат (rotor rheostat, starting-regulating rheostat) с регулируе-
мым сопротивлением (adjustable resistance) отдельно для каждой фазы. Такое соеди-
нение необходимо для осуществления скользящего контакта (sliding contact) и пере-
дачи тока от вращающегося ротора к неподвижной клеммной коробке ротора. При
этом появляется возможность управлять токами, протекающими по обмотке ротора,
а следовательно, и скоростью вращения ротора (rotor rotating speed).
Пускорегулировочный реостат обычно состоит из четырех – пяти ступеней со-
противлений (resistance stages), изготовленных из фехраля (сплав железа - iron, хро-
ма – chrome и алюминия - aluminium). К каждой фазе ротора подключается отдель-
ная колонна реостата.
В остальном, конструктивное исполнение АД с ФР такое же, как и АД с КЗР.
20
а) силовая схема – main circuit; б) схема управления – control circuit.
Рисунок 3.2 - Схема включения АД с ФР.
3.2 Принцип работы
Асинхронный двигатель с фазным ротором работает следующим образом.
Кабель (cable), подключенный к выводам клеммной коробки статора, соединя-
ется с питающей сетью (supply network). По кабелю на концы фаз статорной обмот-
ки подается переменное трехфазное напряжение (three-phase voltage).
По обмотке начинает протекать ток. Ток проходит через все витки обмотки
(coils loops), все фазы и катушки (coils). При этом образуется магнитодвижущая сила
(МДС), представляющая собой полный ток электродвигателя. МДС (magnetomotive
force) порождает магнитный поток (magnetic flux).
Магнитный поток своими силовыми линиями (flux lines), через небольшой воз-
душный промежуток (воздушный зазор [air gap]), разделяющий поверхности статора
и ротора, пересекает обмотку ротора. В обмотке ротора наводится потоком электро-
движущая сила (ЭДС). ЭДС (emf – electro motion force) по своей сути близка к на-
пряжению (voltage), только это напряжение получается не из сети питания, а из маг-
нитного потока.
21
За счет возникновения ЭДС, в обмотке ротора начинает протекать ток. Так как
магнитный поток, породивший ЭДС, был трехфазным, то и ЭДС, и токи ротора тоже
будут трехфазными.
Токи, протекающие в обмотке ротора, взаимодействуют с силовыми линиями
магнитного потока. Результатом такого взаимодействия является появление силы
(force), воздействующей на проводники обмотки ротора. Эта сила направлена пер-
пендикулярно проводникам ротора и «тянет» их в направлении вращения бегущего
поля. Таким образом, магнитное поле «тянет» проводники ротора, проводники давят
на стенки пазов, в которых они расположены. Пазы являются частью пакета ротора.
Ротор не имеет жестокого крепления, а наоборот, через вал размещен в подшипни-
ках, поэтому передаваемое на пакет давление приводит к тому, что ротор начинает
вращаться вокруг оси. Т.е. создается вращающий момент (rotating torque).
Ток обмотки фазного ротора через контактные кольца, комплект щеток и выво-
ды клеммной коробки ротора попадает на пускорегулировочный реостат. Величина
сопротивления реостата регулируется посредством ввода/вывода ступеней (stages).
Чем больше сопротивление реостата, тем меньше ток ротора, а следовательно и ско-
рость вращения ротора. Регулируя сопротивление реостата, можно изменять ско-
рость вращения ротора.
Таким образом, главное отличие АД с ФР от АД с КЗР заключается в возмож-
ности влиять на величину тока и скорость вращения ротора. Между тем, эти вели-
чины в АД с КЗР прямому регулированию не поддаются.
При пуске АД в обмотке ротора могут в начальный момент времени протекать
скачкообразно возникающие токи (пусковые токи – starting currents), в 5 – 12 раз
превышающие номинальные (rating) значения (значения установившегося режима
работы; номинальные параметры электрической машины размещаются на алюми-
ниевой табличке (rating plate), которая крепится на корпусе). Большие токи вызыва-
ют ударные механические нагрузки на конструктивные элементы электродвигателя,
приводят к мгновенному перегреву обмотки (winding overheat), ее тепловому про-
бою (breakdown) и возникновению короткого замыкания (short circuit).
22
Наличие реостата полностью исключает описанные выше проблемы, имеющие
место в АД с КЗР. При пуске АД с ФР ступени реостата выводят на максимальное
сопротивление. Большое сопротивление существенно ограничивает пусковые токи
и, одновременно, позволяет добиться максимального значения электромагнитного
момента. По мере разгона электродвигателя, ступени реостата отключаются, сопро-
тивление ротора уменьшается, токи в нем увеличиваются, что приводит к увеличе-
нию скорости вращения ротора. При наличии правильно рассчитанных ступеней
реостата и их своевременного отключения (уменьшения сопротивления) можно про-
возвести пуск АД с минимальными токами и максимальным вращающим моментом.
Такой электродвигатель способен с нулевой скорости приобрести максимальный
момент и произвести разгон с большой нагрузкой на валу (shaft load). Примером
может служить эксплуатация АД с ФР в подъемных механизмах металлургических
кранов.
После пуска реостат отключается, и АД работает на так называемой «естест-
венной механической характеристике» (характеристики с подключенным реостатом
носят название «искусственных»), когда выводы концов фаз обмотки ротора оказы-
ваются замкнутыми накоротко. В этом основном режиме работы АД с ФР прибли-
жается по характеристикам к АД с КЗР. Наличие реостата, кроме функции «мягкого
пуска – soft start», позволяет производить регулирование скорости (speed control)
вращения ротора в процессе работы электродвигателя. При увеличении сопротивле-
ния реостата (ввода ступеней) скорость будет снижаться, при уменьшении (выводе
ступеней) – увеличиваться.
Третья функция реостата – торможение электродвигателя (motor braking): если
производить подключение ступеней реостата в обратной процедуре пуска последо-
вательности, то ротор начнет снижать скорость вращения от максимальной до пол-
ной остановки (full stop).
Однако, как и во многих областях науки и техники, достижение позитивных ре-
зультатов неизбежно сопровождается появлением негативных факторов, что будет
рассмотрено ниже.
23
Пускорегулировочный реостат можно отключить, и на выводы клеммной ко-
робки ротора подать переменное трехфазное напряжение. При этом АД с ФР пре-
вращается в новый вид электрической машины – машину двойного питания (МДП –
double-supply motor). Главной особенностью МДП является плавное регулирование
скорости (continuously adjustable rotation speed) вращения ротора (в отличие от сту-
пенчатого в АД с ФР – incremental control) и возможность плавного (не ступенчато-
го) пуска АД. Кроме того, МДП имеют в отличие от АД с ФР более высокий коэф-
фициент полезного действия (КПД - efficiency) из-за отсутствия потерь мощности в
пускорегулировочном реостате. К недостаткам МДП следует отнести необходи-
мость двух силовых цепей питания (статора и ротора), дополнительного мощного
регулятора напряжения (voltage regulator) фазного ротора.
3.3 Сравнительная характеристика АД с ФР и АД с КР
Сравнительная характеристика АД с ФР и АД с КЗР для наглядности представ-
лена в виде таблицы 3.1. Положительные свойства для каждого электродвигателя
обозначены знаком «+», отрицательные – знаком «-».
Таблица 3.1 - Сравнительная характеристика АД с ФР и АД с КЗР
№
п/п
АД с ФР
АД с КЗР
1
Пусковые токи ограничены и превышают
номинальные в 1,5 – 2,5 раза
+
Пусковые токи превышают номиналь-
ные в 5 – 12 раз
-
2
Пуск с максимальным моментом. Воз-
можность старта с большими нагрузками
на валу.
+
Величина пускового момента намного
ниже максимального. Величина пуско-
вой нагрузки ограничена
-
3
Возможность регулирования скорости
вращения ротора
+
Скорость вращения ротора не регулиру-
ется.
-
4
Возможность электрического торможе-
ния (уменьшением токов ротора путем
увеличения сопротивления реостата)
+
Электрическое торможение невозмож-
но. Двигатель тормозится наложением
внешних тормозов.
-
24
№
п/п
АД с ФР
АД с КЗР
5
Устойчивая работа с максимальным мо-
ментом во всем диапазоне регулирования
скоростей без превышения токов в об-
мотках
+
Устойчивая работа при скоростях ниже
максимальной только на 50 – 60 %. Ос-
новное назначение электродвигателя –
вращение с постоянной скоростью. При
снижении скорости ниже критической
(из-за увеличения нагрузки) двигатель
переходит в неустойчивый режим рабо-
ты и самопроизвольно останавливается,
продолжая при этом потреблять из сети
большой ток (режим короткого замыка-
ния)
-
6
Большие потери мощности в пусковом
реостате, пониженный (к.п.д.)
-
Высокий коэффициент полезного дей-
ствия (к.п.д. до 98 %), низкие потери
+
7
Сложное конструктивное исполнение,
высокая стоимость
-
Простая конструкция, более низкая
стоимость
+
8
Сниженная надежность из-за наличия
скользящего щеточного контакта
-
Высокая надежность
+
9
Усложненное подключение (две клемм-
ных коробки, два комплекта трехфазных
кабелей), увеличенные установочные
размеры и масса
-
Простое подключение, меньше масса и
размеры
+
10
Пониженная надежность, вероятность
электрического пробоя обмотки ротора
-
Высокая надежность, 100 %-е исключе-
ние пробоя литой обмотки ротора
+
11
Отсутствие перспектив промышленной
эксплуатации в современных системах
автоматизации и электроприводе
-
Большие перспективы, связанные с ши-
роким внедрением частотно-
регулируемого электропривода. При
управлении электродвигателем от пре-
образователя частоты, перечисленные в
п. 1 – 5 недостатки полностью исклю-
чаются! Однако, стоимость и устано-
вочные размеры такой системы элек-
тропривода резко возрастают, надеж-
25
№
п/п
АД с ФР
АД с КЗР
ность в целом снижается (п. 7 – 9 пере-
ходят в недостатки). Обслуживание та-
кого электродвигателя требует высоко-
квалифицированного инженерного пер-
сонала.
3.4 Контрольные вопросы
1. Конструкция асинхронного электродвигателя с фазным ротором.
2. Чем конструкция АД с ФР отличается от конструкции АД с КЗР?
3. Из каких материалов изготавливаются конструктивные элементы асинхрон-
ного электродвигателя с фазным ротором?
4. Принцип работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором.
5. Назначение пускорегулировочного реостата, назвать три вида его примене-
ния.
6. Как осуществляется пуск и торможение асинхронного электродвигателя с
фазным ротором?
7. Каким образом из АД с ФР получить машину двойного питания? Преимуще-
ства и недостатки МДП по сравнению с АД с ФР.
8. Дать аналитическую сравнительную характеристику АД с ФР и АД с КЗР.
9. Перспективы развития асинхронного электропривода.
10. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
26
4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
(ELECTRIC MACHINES OF THE DIRECT CURRENT)
4.1 Общие сведения
Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных
отраслях промышленности.
Значительное распространение электродвигателей постоянного тока (Direct
Current electric motors or DC electric motors) объясняется их ценными качествами:
высокими пусковым (starting), тормозным (braking) и перегрузочным (overload)
моментами (torque), сравнительно высоким быстродействием, что важно при ре-
версировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулиро-
вания частоты вращения.
Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов,
например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих
электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управ-
ления производственными процессами и механизмами расширяется область при-
менения маломощных (low-power) двигателей постоянного тока общего при-
менения мощностью от единиц до сотен ватт.
Генераторы постоянного тока (DC generators) общего применения в настоя-
щее время используются реже, чем
электродвигатели,
поскольку
значи-
тельное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.
Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную
часть электрооборудования летательных аппаратов (electric equipments of flying
machines). Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников пита-
ния; их максимальная мощность достигает 30 кВт. Электродвигатели летательных
аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет
значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например,
устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Дви-
гатели постоянного тока широко используются в электрической тяге (electrical
27
haulage), в приводе подъемных устройств (lifting machines), для привода металло-
режущих станков (cutting machine). Мощные двигатели (powerful motors) постоянно-
го тока применяются для привода прокатных станов (rolling mills) и на судах для
вращения гребных винтов. Постоянный ток (direct current) для питания двигателей
получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных уста-
новок, преобразующих переменный ток в постоянный.
Генераторы постоянного тока являются источником питания (power
supply) для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого
напряжения (low voltage current) (электролизные и гальванические установки). Пи-
тание обмоток возбуждения (excitation winding) мощных синхронных генераторов
осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудите-
лей).
В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного
тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последова-
тельным и смешанным возбуждением).
4.2 Устройство принцип действия машины постоянного тока
Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора
(индуктора) с полюсами (poles) и вращающегося ротора (якоря) с коллектором
(commutator). Статор является источником магнитного поля и механическим осто-
вом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с. – элек-
тродвижущая сила (electro motive force).
На одном валу с якорем (armature) жестко закрепляется коллектор, электриче-
ски соединенный с его обмоткой. Коллектор - характерная деталь машины постоян-
ного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки,
размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внеш-
ней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а
их умеренный нажим должен быть отрегулирован.
28
N, S - полюса постоянного магнита; I - ток в нагрузке;
1 - щётки; 2 - пластина коллектора;
3 - виток провода на якоре машины.
Рисунок 4.1 -Схема работы машины постоянного тока (the scheme of work of the
machine of a direct current).
3
1
2
29
Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнит-
ной индукции и законе Ампера. Магнитное поле (magnetic field) машины создается
постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными маг-
нитами (permanent magnets) в машинах малой мощности. Его силовые линии замы-
каются через стальные станину (frame), сердечники полюсов (poles body) и сердеч-
ник якоря (armature core), дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор меж-
ду ними.
Существует два режима работы электрических двигателей:
- режим генератора (generator mode);
- режим двигателя (motor mode).
В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электриче-
скую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а
якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки
якоря пересекают магнитные силовые линии (line of flux) полюсов и в них индуци-
руются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим
выпрямителем (mechanical rectifier), эти переменные пульсирующие э. д. с. сумми-
руются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам
подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.
Рисунок 4.2 - Машина постоянного тока.
30
В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механиче-
скую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится посто-
янный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током
обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит
в движение якорь (ротор).
4.3 Устройство и расположение главных и добавочных полюсов
Каждая машина постоянного тока имеет одну или несколько пар главных по-
люсов (main poles), расположенных по окружности якоря (armature girth) строго
симметрично и поочередно: северный – южный – северный и т. д. Сердечник глав-
ного полюса набирают из листовой электротехнической стали (electric grade sheet) и
крепят к станине при помощи болтов. Шихтовка (reclaimer operation) сердечника
уменьшает потери в стали от вихревых токов (eddy currents), которые возникают в
сердечнике из-за пульсации магнитного тока, обусловленных зубчатостью якоря.
Эти потери могут стать очень большими, так как сталь сердечника обычно насыще-
на.
На каждый главный полюс надеты одна или несколько катушек (coils), предна-
значенных для создания магнитного потока машины или для других целей. Обмотка
параллельного возбуждения (winding of parallel excitation), создающая, как правило,
основной магнитный поток, выполнена проводом малого сечения. Обычно катушки
этой обмотки имеют самые большие размеры. Обмотка последовательного возбуж-
дения (winding of consecutive excitation) служит чаще для компенсации размагничи-
вающего действия реакции якоря, то есть является вспомогательной обмоткой, по-
этому катушки ее невелики по размерам. Однако они выполнены из провода боль-
шого сечения, так как по ним проходит ток, равный току обмотки якоря.
31
Рисунок 4.4 – Схемы возбуждения машины постоянного тока.
Добавочные полюсы (interpoles) выполняют из цельного куска стали. Это обу-
словлено тем, что сталь добавочных полюсов при работе машины не насыщена, а
воздушный зазор под ним больше, чем под главными, поэтому потери в стали от
вихревых токов невелики. Добавочные полюсы устанавливают в промежутках меж-
ду главными. Число их обычно равно числу главных полюсов, однако двухполюс-
ные машины (bipolar machines) небольшой мощности могут быть выполнены и с од-
ним добавочным полюсом.
4.4 Устройство якоря и коллектора
Вращающаяся часть машины постоянного тока включает в себя вал (shaft) с
подшипниками (bearings), на который насажаны якорь с обмоткой, уложенной в па-
зах сердечника якоря (armature slots), коллектор (collector) и крыльчатку вентилятора
(fan).
Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, которые распола-
гаются так, чтобы образовался скос пазов сердечника на одно зубцовое деление. Это
необходимо для уменьшения добавочных потерь и шумности машины. Сердечник
якоря может иметь аксиальные вентиляционные каналы (ventilating passage). От
проворачивания на валу сердечник удерживается продольной шпонкой (key) или
32
рифлениями, а плотность прилегания листов друг к другу обеспечивается нажим-
ными шайбами и кольцевой шпонкой.
Обмотка якоря выполнена из медного провода в виде жестких или мягких сек-
ций и уложена в пазы. На лобовые части обмотки намотаны проволочные бандажи,
противодействующие центробежным силам. Концы секций обмотки присоединены
к пластинам коллектора (commutator bars) с помощью петушков (commutator neck).
Количество коллекторных пластин практически всегда равно числу секций обмотки
якоря и равно или кратно числу пазов якоря. Пластины коллектора собраны в виде
барабана (drum), изолированы друг от друга и от корпуса миканитовыми проклад-
ками (mica plate) и плотно стянуты нажимными кольцами (или запрессованы в пла-
стмассовую втулку).
Крыльчатка вентилятора (fan impeller) установлена на валу со стороны, проти-
воположной коллектору. Она прогоняет через машину воздух, который засасывается
в машину со стороны коллектора через специальные люки, и осуществляет тем са-
мым отвод тепла, выделяемого при работе машины. Холодный воздух омывает сна-
чала коллектор, затем якорь, катушки полюсов и после этого выбрасывается кры-
латкой в окружающееся пространство. Недостаток такого способа охлаждения со-
стоит в том, что угольная пыль от щеток загрязняет всю машину. Однако при обрат-
ном направлении движения воздуха он, прежде чем попасть в машину, нагревался
бы самим вентилятором, что в конечном итоге привело бы к увеличению габаритов
и массы машины.
Положение вращающегося якоря относительно главных и добавочных полюсов
строго зафиксировано с помощью подшипниковых щитов, в которых закреплены
наружные кольца подшипников. В свою очередь подшипниковые щиты плотно за-
креплены на станине. В подшипниковых щитах предусмотрены люки для осмотра и
ухода за коллектором, а также отверстие для прохода охлажденного воздуха. В ма-
шинах водозащищенного исполнения охлаждающий воздух внутрь машины не про-
ходит и отводит тепло посредствам внешнего обдува, поэтому коллекторные люки
таких машин снабжены глухими крышками.
33
4.5 Устройство щеточного аппарата
Щеточный аппарат (brush ring) совместно с коллектором (рис. 4.5) служит для
соединения обмотки якоря с внешней сетью и преобразования тока. Он состоит из
траверсы (brush rocker), щеткодержателей (brush holders) и щеток (рис. 4.6).
Рисунок 4.5 – Коллектор машины постоянного тока.
Рисунок 4.6 – Щетки машины постоянного тока.
34
Траверсу машины постоянного тока выполняют из стали или алюминиевого
сплава. Она имеет вид кольца с разрезом и с выступами для закрепления пальцев
щеткодержателей (brush-holder finger). Пальцы выполняют обычно из стеклотексто-
лита. Если же они выполнены из металла, то должны быть изолированы пластмассо-
выми втулками и шайбами. На пальцах закреплены щеткодержатели, которые слу-
жат для удержания щеток в определенном положении относительно коллектора.
Щетки должны быть расположены в шахматном порядке, чтобы предотвратить не-
равномерный износ коллекторных пластин. Щетки устанавливаются в обоймах щет-
кодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Сила нажатия пружин
должна обеспечить хороший контакт щетки с коллектором, не вызывая слишком
больших потерь на трение. Проверка нажатия осуществляется динамометром или
приближенно при помощи полоски папиросной бумаги. В последнем случае полос-
ку папиросной бумаги надо положить под щетку и вытягивать ее. Если бумага вы-
ходит с трудом, но еще не рвется, то давление нормальное.
4.6 Контрольные вопросы
1. Назначение и область применения машин постоянного тока.
2. Основные части машины постоянного тока.
3. Принцип действия машины постоянного тока.
4. Какие существуют режимы работы электрических машин.
5. Устройство и расположение главных и добавочных полюсов.
6. Обмотка возбуждения.
7. Устройство якоря.
8. Устройство коллектора.
9. Устройство щеточного аппарата.
10 .Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
35
5 СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
(THE SYNCHRONOUS MOTOR)
5.1 Общие сведения
Синхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота
вращения ротора которой равна или кратна частоте вращения вращающегося в зазо-
ре магнитного поля, создаваемого током якорной обмотки. Принцип действия син-
хронных машин основан на явлении электромагнитной индукции при взаимодейст-
вии магнитных полей.
5.1.1 Область применения синхронных машин. Совершенствование синхронной
машины находится в тесной связи с расширением электрического энергоснабжения
и возрастающей единичной мощности генераторов. Синхронные двигатели исполь-
зуются прежде всего там, где необходимо постоянное число оборотов и где нет не-
обходимости частого пуска/остановки и регулирования скорости вращения (напри-
мер в системах вентиляции). При появлении преобразователей частоты (frequency
converters) синхронный двигатель начал использоваться в качестве привода
(electrical drive). Поэтому в настоящее время применение его широко: от сервомото-
ров до двигателей большой мощности. В качестве примера можно назвать 30 МВт
воздуходувку доменной печи (синхронный двигатель с преобразователем). Также
используют синхронные двигатели в качестве приводов для цементных мельниц,
подъёмно-транспортных машин, конвейеров и прокатных станов. В настоящее вре-
мя часто применяется синхронный двигатель, прежде всего, как микродвигатель в
часах, фотоаппаратах и в точном приборостроении.
5.1.3 Разновидности синхронных машин.
Гидрогенератор - явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для
выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (hydraulic
turbine) (при низких скоростях вращения).
36
Турбогенератор - неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный
для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины
(при скоростях вращения ротора 6000, 3000, 1500 об/мин.).
Компенсатор - синхронная электрическая машина (в большинстве случаев не-
явнополюсная), предназначенная для выработки реактивной мощности (reactive
power). Компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий на
холостом ходу (idling) (т.е. без нагрузки), в котором генерирование реактивной
мощности регулируется током возбуждения обмотки индуктора.
5.2 Устройство синхронных машин
Основными частями синхронной машины (рис. 5.1) являются якорь и индуктор
(обмотка возбуждения).
Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В
двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле (так
называемое поле реакции якоря), которое сцепляется с полем индуктора и таким об-
разом происходит преобразование энергии.
Индуктор состоит из полюсов – электромагнитов постоянного тока или посто-
янных магнитов. Индукторы (роторы) синхронных машин имеют две различные
конструкции: явнополюсную (рис. 5.2) или неявнополюсную (nonsalient rotor) (рис.
5.3).
Явнополюсная конструкция отличается тем, что полюса ярко выражены и име-
ют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнопо-
люсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индук-
тора, похожие на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той
лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводни-
ками. Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы
уменьшить механическую нагрузку на полюса.
37
Рисунок 5.1 – Устройство синхронного двигателя.
38
Рисунок 5.2 – Явнополюсный ротор синхронного двигателя.
Рисунок 5.3 – Неявнополюсный ротор синхронного двигателя.
5.3 Принцип работы синхронного двигателя
Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вра-
щающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей
полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор - на роторе. В
мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ро-
тор подаётся через скользящий контакт), в маломощных - постоянные магниты.
39
5.4 Синхронный генератор
В синхронных генераторах якорем является статор, а индуктором - ротор. В ин-
дуктор через щётки подают постоянный ток, внешний приводной механизм (турби-
на или вспомогательный двигатель) вращает ротор, тем самым создавая вращаю-
щееся магнитное поле, под действием которого в якоре индуцируется переменный
ток, который отдаётся в сеть.
Частота вырабатываемого тока
(Гц) напрямую связана с частотой вращения
ротора
(об/мин) обратным по сравнению с двигателем соотношением
np
f
60
, где
— число пар полюсов машины
5.5 Пуск синхронного двигателя
Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: пуск от вспомо-
гательного двигателя, асинхронный пуск и частотный пуск от устройства плавного
пуска.
5.5.1 Пуск от вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель не может
сам запускаться, он требует разгона до номинальной скорости (rated speed) враще-
ния, прежде чем сможет работать самостоятельно. При номинальной скорости вра-
щающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индук-
тора - это называется "вхождение в синхронизм". Для разгона до номинальной ско-
рости обычно используется дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный).
5.5.2 Асинхронный пуск синхронного двигателя. Производится присоединением
статора к сети. Двигатель разгоняется как асинхронный до скорости вращения,
близкой к синхронной. В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения замы-
кается на разрядное сопротивление, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения
при пуске, так как при малой скорости ротора в ней могут возникнуть значительные
перенапряжения. При скорости вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуж-
дения отключается от разрядного сопротивления и подключается к якорю возбуди-
теля. Пуск заканчивается.
40
5.5.3 Устройство плавного пуска. При частотном пуске частоту тока якоря по-
степенно увеличивают от очень малых до номинальных величин. Частота вращения
n (об/мин, rpm) синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей
сети f соотношением
60f
n
p
, где p - число пар полюсов машины.
Пуском и синхронизацией синхронного электродвигателя управляет система
ECS (Excitation Control System - система управления возбуждением). Схема систе-
мы управления возбуждением показана на рис. 5.4.
Система ECS замыкает выходной выключатель MBM для электродвигателя и
передает сигнал ПУСК в устройство управления преобразователем.
Устройство управления преобразователем запускает все вспомогательные уст-
ройства и проверяет правильность работы.
Приняв все сигналы, оповещающие о выполнении необходимых проверок,
устройство управления преобразователем замыкает входной выключатель MBC,
подключенный к преобразовательному трансформатору, и разгоняет электродвига-
тель - согласно предварительно установленной кривой крутящего момента разгона -
приблизительно до 95 % от номинальной скорости.
С этого момента блок параллельной работы в системе ECS берет на себя управ-
ление скоростью и линейно изменяет заданное значение скорости, пока выходная
частота и фазовый угол преобразователя не станут равны частоте и фазовому углу в
линии.
Как только эта точка достигнута, блок параллельной работы замыкает главный
выключатель электродвигателя MBL для работы на фиксированной скорости непо-
средственно по линии. Одновременно с замыканием этого выключателя (MBL) ток
вставки постоянного тока преобразователя доводится до нуля, импульсы инвертора
блокируются, выключатель МВМ размыкается.
Вследствие того, что преобразователь полностью в работе, пока электродвига-
тель работает по линии, нет почти никакого никаких бросков пускового тока элек-
тродвигателя и поэтому нет никаких пиков крутящего момента.
41
incomer – Вход;
for soft-starter - Для устройства плавного пуска;
synch. pts - Элементы для синхронизации;
low voltage supply - Источник низкого напряжения;
380 V, 3-Ph - 380 В, 3 фазы;
Exiter & synchronization - Возбудитель и синхронизация;
Paralleling unit - Блок параллельной работы.
Рисунок 5.4 – Система управления возбуждением:
42
Если электродвигатель выходит из синхронизации, например из-за кратковре-
менного понижения напряжения в линии, устройство плавного пуска способно "за-
хватить" электродвигатель снова на любой скорости, разогнать его и синхронизиро-
вать по линии.
5.6 Преимущества синхронного двигателя
Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает ря-
дом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного
двигателя. К таким преимуществам относятся:
- возможность работы двигателя с опережающим коэффициентом мощности
cos (power factor), благодаря чему происходит компенсация реактивной мощности
предприятия;
- меньшая чувствительность к колебаниям напряжения в сети;
- высокая перегрузочная способность.
5.7 Контрольные вопросы
1. Назначение и область применения синхронных двигателей.
2. Разновидности синхронных машин.
3. Устройство синхронной машины.
4. Принцип работы синхронного двигателя.
5. Принцип работы синхронного генератора.
6. Способы пуска синхронного двигателя. Пуск от вспомогательного двигателя.
7. Асинхронный пуск синхронного двигателя.
8. Устройство плавного пуска синхронного двигателя.
9. Преимущества синхронных двигателей.
10. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
43
6 СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР
(DRY TRANSFORMER)
6.1 Общие сведения
Трансформатором называется статическая электромагнитная электрическая
машина, предназначенная для преобразования энергии переменного тока одного на-
пряжения в энергию переменного тока другого напряжения.
Рисунок 6.1 – Сравнительные размеры самого маломощного и самого крупно-
го сухого трансформатора.
Трансформатор, как правило, состоит из стального сердечника (core), являюще-
гося магнитопроводом (magnetic conductor), и двух обмоток, электрически не свя-
занных между собой. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия
44
переменного тока, называется первичной обмоткой (primary coil), другая, от которой
энергия отводится,- вторичной обмоткой (secondary coil).
Все величины, относящиеся к первичной обмотке (напряжение, ток, мощность
и т. д.), называются первичными, а относящиеся ко вторичной - вторичными.
Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется
понижающим (step-down transformer), если больше, то повышающим (step-up trans-
former). В соответствии с этим различают обмотки высшего (HV winding) и низшего
(LV winding) напряжений.
По виду переменного тока трансформаторы разделяются на однофазные, трех-
фазные и многофазные. По числу обмоток трансформаторы бывают двухобмоточ-
ные и многообмоточные.
По назначению все трансформаторы, применяемые в технике, можно разделить
на три основные группы:
1) силовые трансформаторы
2) автотрансформаторы
3) специальные трансформаторы.
При помощи трансформаторов одну и ту же мощность можно передавать при
различном напряжении и различном токе, что следует из формул мощности для од-
нофазного и трехфазного токов:
P UIcos
и
P
3UIcos
.
Трансформаторы позволяют передавать большие мощности на значительные
расстояния по линии высокого напряжения с малыми потерями.
6.2 Технические характеристики и конструкция
6.2.1 Описание конструкции. Конструкция трансформатора показана на рис. 6.2.
Низковольтные выводы (LV taps) (поз. 1) устанавливаются вверху в стандарт-
ном исполнении. По специальному заказу возможна их установка внизу трансформа-
тора.
45
Высоковольтные выводы (HV taps) (поз. 2) в зависимости от расположения со-
единительных шин могут располагаться как в верхней, так и в нижней части транс-
форматора.
Рисунок 6.2 – Конструкция трансформатора с литой изоляцией.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
46
Вентиляторы продольного охлаждения (поз. 3) позволяют кратковременно
превышать номинальную мощность трансформатора на 50 %. Три датчика темпера-
туры (РТС термистор) встраиваются в обмотку низкого напряжения и подсоединя-
ются к релейному выходу (relay end).
Трехстержневой сердечник трансформатора (поз. 4) изготавливается из тек-
стурированной электротехнической стали с низким уровнем потерь, с двухсторонней
изоляцией неорганической диэлектрической пленкой. Резка листов стали выполня-
ется промышленными лазерами, что исключает появление заусенец (nicks-and-burrs)
и снижает потери.
Эластичный наполнитель (filling compound) (поз. 5) изолирует сердечник и
обмотки, защищая от механических вибраций (vibration), приводит к снижению
уровня шума (noise).
Высоковольтная обмотка (поз. 6) изготовлена из цельной ленты алюминие-
вой фольги (aluminium foil) и изолирована под давлением в вакууме.
Низковольтная обмотка (поз. 7) изготовлена из алюминиевой ленты (alumi-
nium tape). Витки обмотки твердо склеены вместе посредством листов изоляционно-
го материала.
Внешняя оболочка (поз. 8) представляет собой смесь из эпоксидной смолы
(epoxy resin) и кварцевого порошка (quartz powder). Дает повышенную устойчивость
к вибрациям, влаге, тропическому климату, воспламенению и обладает свойством
самогашения при пожаре.
Рама (frame) (поз. 9) скрепляет пакет трансформатора и служит одновременно
транспортировочным узлом. На раме снизу крепятся поворотные ролики.
6.2.2 Высоковольтная обмотка. Высоковольтная обмотка (рис. 6.5) наматыва-
ется из алюминиевой фольги, переплетающейся с высокопрочной полипропилено-
вой изоляционной тонкой лентой. Собранные и соединенные катушки помещаются в
нагревательную матрицу и пропитываются в вакуумной печи смесью очищенного
кремния (кварцевого песка) и специальной смеси эпоксидной смолы. Изоляция име-
ет температурный класс нагревостойкости F (155
о
С).
47
Из меди изготавливаются только выводы обмотки, которые соединяются внутри
обмотки с алюминиевой лентой. Внешняя схема обмотки (звезда/треугольник) соби-
рается из изолированных медных шин круглого сечения, гарантируя оптимальный
установочный дизайн.
Рисунок 6.3 – Конструктивное исполнение высоковольтной обмотки.
После окончательной сборки обмотка приобретает пожаростойкие свойства,
стойкость к возгоранию и не поддерживает горение, устойчивость к влаге, коррозии,
долговечна в условиях наружной установки.
Обмотка, намотанная из фольги, сочетает в себе свойства простой техники на-
мотки и высокого уровня электробезопасности. По сравнению с обмоткой из круг-
лых проводников, обмотка из алюминиевой фольги испытывает гораздо меньшие
механические напряжения при импульсах напряжения (что характерно при работе с
преобразователями частоты или при прямых пусках).
Причина применения алюминия в качестве материала для обмотки вместо меди:
температурный коэффициент линейного расширения алюминия и основного мате-
риала изоляции – эпоксидной резины являются настолько сходными, что термоудары
при резкой смене нагрузки сводятся к минимуму.
48
В трансформаторах высокого напряжения ближе к стержню (winding bar) рас-
полагается обмотка НН, так как это позволяет уменьшить изоляционное расстояние
между стержнем и этой обмоткой.
6.2.3 Низковольтная обмотка. Стандартная низковольтная обмотка с ее прак-
тически минимальными диэлектрическими потерями намотана из одиночной алю-
миниевой ленты переплетенной стеклотканью, пропитанной эпоксидной резиной.
Изоляция имеет температурный класс нагревостойкости F. Собранные катушки спе-
каются в печи, образуя твердые водонепроницаемые цилиндры. Благодаря ленточной
конструкции обмотки, достигается высокая электродинамическая стойкость при воз-
действии токов короткого замыкания. Все соединения дуговой сваркой приварива-
ются к алюминиевым пластинам, к которым подсоединяются выводы низкого на-
пряжения из алюминия или меди.
6.2.4 Магнитопровод. Сердечник, называемый магнитопроводом, является кон-
структивной основой трансформатора. Он служит для проведения основного маг-
нитного потока. В магнитопроводе различают стержни и ярма. Стержень - это та
часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо - часть, не несу-
щая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи.
Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока и, следова-
тельно, уменьшения намагничивающего тока магнитопровод выполняется из элек-
тротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во
времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собира-
ется из отдельных электрически изолированных друг от друга листов стали.
В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготовляются из холод-
нокатаной электротехнической стали (compressed electric grade sheet), так как она
обладает низкими удельными потерями (specific losses) и повышенной магнитной
проницаемостью (magnetic conductivity).
Стержни магнитопровода трансформаторов (bars) в поперечном сечении имеют
форму ступенчатой фигуры или прямоугольника, вписанных в окружность с диа-
метром D
0
(рис. 6.3). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощно-
49
сти трансформатора. Увеличение числа ступеней приводит к более полному запол-
нению площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно сопровож-
дается увеличением числа типов пластин, необходимых для сборки стержня.
Рисунок 6.4 - Поперечное сечение стержней трансформаторов.
При стержнях, имеющих поперечное сечение (cross-section), приближающееся к
кругу, сокращается расход материалов на изготовление обмотки и увеличивается ее
электрическая и механическая прочность. Прямоугольное сечение стержней приме-
няется в трансформаторах небольшой мощности.
6.2.4 Конструктивные исполнения трансформатора. Трансформаторы разра-
батываются как для открытого применения, так и с защитным кожухом (transformer
shell) (рис. 6.5).
Рисунок 6.5 – Сухой трансформатор в защитном кожухе.
50
6.3 Принцип работы трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении взаимоиндукции. Если первич-
ную обмотку трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением
U
1
, то проходящий по ней ток создаст в сердечнике переменный магнитный поток
Ф. Под влиянием этого потока в обеих обмотках трансформатора будет индуктиро-
ваться э. д. с. Если при этом вторичная обмотка будет замкнута, то по ней будет
протекать переменный ток I
2
. Таким образом, осуществляется передача энергии из
первичной обмотки во вторичную, а следовательно, и преобразование энергии пе-
ременного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряже-
ния.
6.4 Преимущества и применение сухих трансформаторов
- применение пожаростойких неорганических изоляционных материалов сни-
мает ограничения по области и месту эксплуатации, таких как нефтехимия, взрыво-
и пожароопасное оборудование, нефтяные хранилища. При этом в эпоксидную смо-
лу, как это обычно делают, не вносятся добавки, укрепляющие форму (тригидрат
оксида алюминия). Внутривитковые и межфазные замыкания не вызывают воспла-
менение обмотки. Специальный состав эпоксидной смолы не поддерживает горение
(рис. 6.6). При удалении источника возгорания, пламя погасает. Возникающие от-
ходы горения являются нетоксичными, что доказано многочисленными экологиче-
скими тестами. Литая изоляция не выделяет токсичных и коррозийных газов. Между
тем, масляные трансформаторы являются взрывоопасными (рис. 6.7).
51
Рисунок 6.6 – Испытания сухого трансформатора в открытом огне.
Рисунок 6.7 – Взрыв масляного трансформатора.
52
- сухие трансформаторы применимы там, где использование масляных транс-
форматоров невозможно или запрещено: внутри зданий, в метро, на кораблях, кра-
нах, нефтяных платформах, под водой, на пищевых фабриках и т.д.
- возможность использования в качестве преобразовательных трансформаторов
в системах приводов, что снижает стоимость кабельных материалов, потери при пе-
редаче энергии, установочные расходы;
- уровень шума, с сравнении с аналогичными масляными трансформаторами,
значительно ниже;
- значительно более низкая стоимость, чем у масляных трансформаторов;
- полная негорючесть, взрыво- и пожаробезопасность, влагостойкость;
- небольшие габаритные размеры и масса;
- минимальный технический уход.
6.5 Контрольные вопросы
1. Что такое трансформатор?
2. Классификация трансформаторов по назначению?
3. Принцип работы трансформатора.
4. Конструкция трансформатора.
5. Магнитопровод трансформатора.
6. Конструкция обмотки высокого напряжения.
7. Конструкция обмотки низкого напряжения.
8. Изоляция обмоток и листов сердечника трансформатора.
9. Конструктивные исполнения трансформатора.
10. Преимущества применения сухих трансформаторов.
11. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
53
7 МАСЛЯНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
(OIL TRANSFORMER)
7.1 Конструктивные части трансформатора
Основным видом силового трансформатора является масляный трансформатор
(рис. 7.1).
Рисунок 7.1 – Трехфазный масляный трансформатор.
Масляные трансформаторы применяются вне электроустановках производст-
венных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где применение масляных
трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустимо. Охлаж-
дающей средой масляных трансформаторов служит трансформаторное масло.
54
7.1.1 Выемная часть масляного трансформатора (рис. 7.2), являющаяся по
существу собственно трансформатором, погружается в бак с маслом (рис. 7.3).
Рисунок 7.2 – Выемная часть трансформатора (portable part).
Рисунок 7.3 – Бак трансформатора (transformer tank).
55
К выемной части относится остов (frame) с обмотками и отводами (taps), а в не-
которых конструкциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двой-
ное назначение. Как изолирующая среда оно имеет более высокую диэлектрическую
прочность, чем воздух, благодаря чему позволяет уменьшить изоляционные рас-
стояния между токоведущими и заземленными частями, а также между различными
обмотками.
Кроме того, трансформаторное масло является лучшей охлаждающей средой,
чем воздух. Поэтому в трансформаторе, заполненном маслом, можно увеличить
электрические и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода об-
моточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и
уменьшению его габаритов. Трансформаторное масло является минеральным неф-
тяным маслом.
7.1.2 Бак трансформатора. С увеличением мощности трансформатора конст-
рукция бака видоизменяется, так как потери, вызывающие нагрев частей трансфор-
матора, растут быстрее, чем поверхность охлаждения (cooling surface). Поэтому по-
верхность охлаждения приходится искусственно увеличивать.
У трансформаторов мощностью до 25 - 40 кВА применяются баки с гладкими
стенками. Внутри бака возникает естественная циркуляция масла: нагреваясь от об-
моток и магнитопровода, оно поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и
опускается вниз. От стенок бака тепло рассеивается в окружающее пространство пу-
тем излучения и конвекции.
При мощностях трансформаторов от 40 до 1600 кВА для увеличения поверхно-
сти охлаждения в стенки бака вваривают трубы диаметром, располагаемые в 1 - 3
ряда. Процесс охлаждения трансформаторов протекает, как и в предыдущем случае.
В трансформаторах мощностью выше 1000 - 1600 кВА используются гладкие
баки, но к ним подвешиваются трубчатые охладители; последние присоединяются к
верхней и нижней частям бака с помощью фланцев. Относительно стенок бака охла-
дители располагаются радиально. Циркуляция масла в охладителе происходит в ре-
56
зультате естественной конвекции. В последнее время трубчатые охладители стали
применять и в трансформаторах меньшей мощности.
При мощностях трансформаторов от 10000 до 16000 кВ·А периметр гладкого
бака оказывается недостаточным для размещения необходимого количества охлади-
телей. Для более интенсивного отвода тепла от охладителей производят их обдув с
помощью вентиляторов; это дает увеличение теплоотдачи на 50 - 60 %. В мощных
трансформаторах применяется форсированное охлаждение масла: масло из бака от-
качивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и,
охлажденное, вновь возвращается в бак трансформатора.
Иногда в целях пожарной безопасности бак трансформатора заполняется него-
рючим и не окисляющимся жидким диэлектриком - совтолом. Электрическая проч-
ность и охлаждающие свойства этого диэлектрика практически не отличаются от
подобных свойств масла. Применение совтола ограничивается более высокой по
сравнению с маслом стоимостью и токсичностью его паров.
7.1.3 Расширитель (oil-expansion vessel) представляет собой цилиндрический
резервуар, располагаемый выше крышки бака масляного трансформатора и соеди-
ненный трубкой с баком (рис. 7.4). Внутренний объем расширителя, равный при-
мерно 10 % объема бака трансформатора, заполняется маслом с таким расчетом,
чтобы при всех возможных колебаниях температуры оно полностью заполняло бак.
Рисунок 7.4 – Расширитель трансформатора.
57
Кроме того, при наличии расширителя поверхность масла, соприкасающаяся с
воздухом, уменьшается, что ограничивает его окисление и увлажнение. Этим дости-
гается защита масла и изоляции трансформатора. Для трансформаторов небольшой
мощности допускается колебание уровня масла внутри бака.
7.1.4 Магнитопровод трансформатора (рис. 7.5) изготавливается из холоднока-
танной электротехнической стали.
Рисунок 7.5– Магнитопровод масляного трансфоматора.
7.1.5 Обмотки могут изготавливаться из алюминия или меди. Начала и концы
обмоток выводятся из бака трансформатора наружу (рис. 7.6).
Для этого используются проходные фарфоровые изоляторы (porcelain
insulators), внутри которых располагается токоведущий медный стержень. Такие
изоляторы закрепляются на крышке бака и называются вводами. С увеличением на-
пряжения трансформатора размеры вводов увеличиваются, а их конструкция услож-
няется. Вводы для трансформаторов, устанавливаемых внутри помещения, обычно
имеют гладкую внешнюю поверхность, а для трансформаторов, устанавливаемых
снаружи, - ребристую.
58
Рисунок 7.6 – Обмотки масляного трансформатора.
Контроль температуры в верхних слоях масла в баке производится термомет-
рами различного типа. В трансформаторах мощностью до 1000 кВ·А используются
стеклянные ртутные термометры, устанавливаемые на крышке бака в специальной
металлической оправе. На крышках трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и выше
вместо стеклянного термометра устанавливается дистанционный манометрический
сигнальный термометр. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях
составляет 95 °С.
Для изменения числа витков обмотки ВН с целью регулирования напряжения
предусматривается переключатель, размещенный внутри бака. Рукоятка этого пере-
ключателя выводится на крышку или стенку бака трансформатора.
Магнитопровод, обмотки и установленные контрольные приборы составляют
активную часть трансформатора.
59
7.2 Контрольные вопросы
1. Назначение и область применения масляных трансформаторов.
2. Выемная часть трансформатора.
3. Трансформаторное масло.
4. Конструктивные исполнения бака трансформатора. Радиаторы.
5. Расширитель.
6. Активная часть трансформатора: магнитопровод и обмотки.
7. Назвать технические термины на английском языке, полученные при изуче-
нии материала лекции.
Информация о работе Лекции по "Циклу автоматизации"